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车载以太网总体架构 正由于上述IEEE组织OPEN Aliance SIG组织, AVNU组织AUTOSAR组织的共同发展与合作进而规范了车载以太网符合OSI模型的整体架构如下图1所示 图1 车载以太网OSI总体架构 首先针对图1中AVNUIEEEAUTOSAR以及OPEN Aliance SIG组织做简要介绍以便能够较为清晰地了解各组织在车载以太网总体架构地主要贡献及主要目标。
AVNU 致力于推进AVB/TSN时间敏感网络在汽车领域的应用使以太网成为一种时间确定性的实时网络IEEE 电气与电子工程师协会其中802.3工作小组致力于推进以太网相关标准的制定与完善AUTOSAR: 汽车开放式系统架构组织致力于实现汽车软硬间之间解耦的标准同时也为车载以太网软件层级作出了相关规范说明OPEN Aliance SIG: 为非盈利性的汽车行业和技术联盟旨在鼓励大规模使用以太网作为车联网标准
同时从上图中可以看出标记为“IT”则为传统以太网技术协议规范而标记为“Automotive”则为车载以太网技术协议规范。
显而易见除了物理层、UDP-NM、DOIP、SOME/IP、SD这五个模块为车载以太网技术协议规范之外其余均为传统以太网技术。
物理层
车载以太网与传统以太网相比车载以太网仅需要使用1对双绞线而传统以太网则需要多对线束较多。 同时传统以太网一般使用RJ45连接器连接而车载以太网并未指定特定的连接器连接方式更为灵活小巧能够大大减轻线束重量。除此以外车载以太网物理层需满足车载环境下更为严格的EMC要求对于非屏蔽双绞线的传输距离可达15m屏蔽双绞线可达40m。 虽然车载以太网只采用单对差分电压传输的双绞线但是100M/s以太网可以通过回音消除技术来实现全双工通信。下面就通过表格形式列举出当前主流的物理层标准 表1 车载以太网物理层标准 从上表可知当下主流的车载以太网协议主要为IEEE 100BASE-T1以及IEEE 1000BASE-T1常规使用可采用100BASE-T1,如果需要更高带宽可选择1000BASE-T1。
不过因为速率越高对车载以太网物理层一致性测试就更为严格。
其中以太网所有物理层的功能全部集中在一个称为“PHY”的模块中它将以太网控制器以及物理介质连接在一起并且通过一个标准化接口MII连接同时PHY模块与底层介质通过MDI接口连接以100BSASE-T1所示如下图2所示 图2 物理层PHY接口结构图 来源Vector 模块接口定义见上图2具体有关PHY模块的内容在此不做展开后续会单独专题讲解奉上敬请关注 数据链路层 数据链路层可细分为LLC(Logic Link Control)以及MACMedia Access Control两个层级。此两层级定义与作用如下
LLC 负责向上层提供服务管理数据链路通信链接寻址定义等与所用物理介质没有关系MAC 负责数据帧的封装总线访问方式寻址方式以及差错控制等MAC层的存在则可以使得上层软件与所用物理链路完全隔离保证了MAC层的统一性
其中LLC子层的服务与服务在IEEE 802.2 LAN协议中有所定义MAC层的主要功能作用则在IEEE 802.3中定义并采用CSMA/CD访问控制方式一般MAC层协议在俗称的“网卡”中实现。
以太网帧格式
以太网随着历史发展总共存在5种帧格式不同的以太帧存在不同的类型及MTU值(最大传输数据长度)且可以在同一物理介质上同时存在。
目前广泛使用的以太网帧格式主要有2种分别为Ethernet II帧格式与IEEE802.3帧格式。其中车载以太网主要采用Ethernet II帧格式。
完整Ethernet II帧格式 图3 Ethernet II帧格式 完整IEEE802.3帧格式 图4 IEEE 802.3帧格式 如上图3与图4进行对比可知Ethernet II帧格式中的“类型”位置被802.3帧格式的“长度”所替代。上述不同字段的具体含义如下表2所示 表2 以太网帧字段定义说明 特别的我们可以通过判别“类型/长度”字段来进一步判断当前帧的类型。若该字段值小于等于0x5DC那么该帧为IEEE 802.3格式若该字段值大于等于0x600则该帧为Ethernet II帧格式。
同时需要注意Ethernet II帧格式并没有LLC子层的概念只有MAC层来处理数据服务等内容而IEEE 802.3则可以
MAC帧格式
对于MAC帧格式则是从“目标物理地址”开始至“帧校验”结束为一完整的MAC帧。如下图4所示为MAC的完整帧包括目标物理地址源物理地址类型/长度数据以及帧校验CRC组成。 图4 MAC完整帧格式 特别地如图中4所示“VLAN Tag” 字段可选当没有VLAN Flag则为Basic MAC帧当存在该字段时则为VLAN MAC帧即MAC帧可分为基本MAC帧(无VLAN)和标记MAC帧(包括VLAN)两种。
其中“类型”字段通常可以为以下几种类型且该类型列表由IEEE组织来维护如下表3所示列举了车载以太网领域常用的Ethernet Type 表3 车载以太网常用类型 MAC寻址方式
MAC地址作为每个以太网接口的固定地址一般由供应商出厂就固定下来不可更改。地址长度为6Byte例如00-17-4F-08-78-88其中前3个字节为组织编号如下图5所示为MAC地址的寻址方式以及字节定义 图5 MAC寻址方式(来源Vector) 如上图所示前3个字节为组织唯一标识号由IEEE分配给到网卡生产厂商,其中Byte5/Bit1表示该MAC地址是全球地址还是本地地址Byte5/Bit 0 用于表示该帧为组播MAC地址单播地址还是广播地址 0单播地址(1对1)普通终端设备接收1组播地址(1对多)仅交换机会接收普通终端设备不会接收48个bit全为1表示为广播地址所有设备均会接收
MAC VLAN
VLAN作为一种分割广播域的技术手段能够有效降低网络不必要的开销全称为虚拟局域网技术。该技术分割广播域的方法有很多种在此仅简要介绍下基于基于MAC的动态VLAN技术如下图6所示 图6 基于MAC的动态VLAN技术(来源 Vector) 如上图所示ECU1与ECU2被划分为属于同一VLAN1而ECU2与ECU4则被划分为属于同一VLAN2。只需要提前配置好各ECU所属的VLAN即可基于MAC的VLAN的优点在于即使换了连接端口或者交换机都可以自动重新识别不需要重复进行配置主要用于DHCP或者ARP协议发送广播帧的场景。
正如前面所述MAC帧可分为基本MAC帧(无VLAN)和标记MAC帧(包括VLAN)两种而如果为如果时标记MAC帧那么就会使用到VLAN Tag同时“数据”字段的最小长度为不带VLAN标记的46Byte与带VLAN标记的42Byte因为VLAN Tag占用了4个字节最大数据长度均为1500Byte。
如下图7所示则为VLAN Tag的含义说明 图7 VLAN Tag定义说明 (来源Vector) 如上图7所示VLAN Tag总共可以分为以下3个部分
PRI(3Bit) 帧优先级就是通常所说的802.1pCFI(1Bit) 规范标识符0为规范格式用于802.3或Ethernet II以太网帧VLAN ID 就是VLAN的标识符ID 网络层 网络层就是IP协议所在的层级IP协议可以分为IPV4以及IPV6常用的主要是IPV4IP协议的主要作用就是基于IP地址转发分包数据。
同时IP也是一种分组交换协议但是IP却不具备自动重发机制即使数据没有达到目的地也不会进行重发所以IP协议属于非可靠性协议。
车载以太网主要使用IPV4协议同时由于该协议也属于传统以太网范畴所以不会对该模块做过多细节性阐述。
IPV4协议头 图8 IPV4协议头 由上可知IP首部为20Byte。 该协议头的各部分解释如下图 图9 IPV4 协议头信息表
IPV6协议头 图10 IPV6 协议头信息表 需要注意的是IPv6 数据报文是 IPv4 的 4 倍IPv6 数据报文主要由两个部分组成Header首部和 Payload负载。其中IPv6 Header 的大小是 IPv4 的 2 倍。该协议头的各部分解释如下图 图11 IPV6协议信息表 传输层 传输层的协议就是TCP/UDP这两者协议彼此独立也可以同时存在看具体使用场景需求。TCP/UDP作为传统以太网的标准协议在这里同样不做过多展开整体介绍下TCP与UDP的特点及区别。
TCP协议 TCP协议头 图12 TCP协议头 如下图13所示为TCP协议头的字段解释 图13 TCP协议头信息表 TCP建立连接过程
TCP是面向连接的可靠的网络通信因此要通信双方建立通信连接必须经过我们常说的“三次握手”才能够开启以太网通信如下图14所示为TCP的“三次握手”连接过程。 图14 TCP ”三次握手“过程 TCP断开连接过程
TCP已经连接的双方如果需要断开则需要**“四次挥手“**来完成此过程”如下图15所示 图15 TCP”四次挥手“过程 TCP协议特点 从上述的TCP建立连接以及断开连接的过程不难得出TCP是一种面向连接可靠的传输层协议。具体总结有以下一些特点
面向连接仅支持单播传输点对点方式不支持多播或者广播方式面向字节流可靠传输提供拥塞控制全双工通信
UDP协议
UDP全称为用户数据包协议在网络中与TCP协议一样用来处理数据包是一种无连接的协议。同时UDP有不提供数据包分组、组装和不能对数据包进行排序的缺点也就是说当报文发送之后是无法得知其是否安全完整到达的。
UDP协议头
如下图所示为UDP 协议头的组成 图16 UDP协议头 如上图所示UDP首部为8Byte。
各字段的具体含义如下表所示 图17 UDP协议字段信息表 UDP协议特点
对比TCP协议UDP具备以下一些特点
面向无连接即不需要建立连接便可以直接进行通信存在单播多播广播的功能UDP是面向报文的UDP的报文报经过IP层不会进行任何拆分或重组不可靠性由于没有像TCP的拥塞控制以及出错自动重传等机制则会导致发送的报文五宝保证接收方是否收到因为网络本身就存在诸多的不确定性 TCP与UDP区别
如下图所示较为清晰的解释了TCP与UDP两者之间的区别这让我们选择何种传输层协议提供了判断标准。 图18 UDP与TCP区别关系表 TCP向上层提供面向连接的可靠服务 UDP向上层提供无连接不可靠服务;虽然 UDP 并没有 TCP 传输来的准确但是也能在很多实时性要求高的地方有所作为;对数据准确性要求高速度可以相对较慢的可以选用TCP。
应用层 在车载以太网领域目前主流涉及到的应用协议主要有UDP-NMDOIPSome/IPSD以及传统以太网需配合支持的ICMPARPDHCP等协议。
在本文我不会针对这些协议具体展开因为每种协议内容不少后续会专门针对这些应用层协议给大家讲解分享敬请大家多多关注。
如下图19是我列举车载以太网种这些应用协议的基础特点以及作用场景给大家一个整体的认识。 图19 车载以太网应用层协议一览
